Wiegen und Messen

Zu den ältesten Fähigkeiten des Menschen gehört das Messen von Zeit, Entfernungen und Massen. Instrumente zur Bestimmung von Temperatur und Druck oder des Standorts und der Geschwindigkeit wurden jedoch erst in den letzten 400 Jahren geschaffen. Heute braucht man aber noch viel genauere Messungen als früher: Die sichere Funktion zahlreicher komplizierter Geräte und Maschinen in Industrie, Transportwesen, Medizin und Meteorologie hängt entscheidend davon ab, ob die engen Toleranzgrenzen bei der Fertigung eingehalten wurden. Bei Längenmessungen z. B. reicht selbst die Genauigkeit der Mikrometerschraube in vielen Fällen nicht mehr aus. Im Bereich der Zeitmessung hat die Atomuhr einen absoluten Standard gesetzt – ihr Gang beruht auf den exakt 9 192 631 770 Schwingungen pro Sekunde, die die Atome des Elements Caesium ausführen. Gewicht, Zeit und Temperatur
Die Analysenwaage beruht auf einem der ältesten Messprinzipien, nämlich das unbekannte Gewicht einer Masse dadurch festzustellen, dass man sie mit bekannten Gewichten ausbalanciert. Schon die Ägypter benutzten vor 7000 Jahren Balkenwaagen, um Getreide mit Steingewichten abzuwägen. Auch die Zeitmessung mit Sonnenuhren, Sanduhren und mechanischen Uhren ist schon ziemlich alt. Bereits 1000 v. Chr. erfanden die Chinesen die Wasseruhr, dem Prinzip nach mit der Sanduhr vergleichbar. Im 14. Jahrhundert entstanden die ersten mechanischen Uhren mit Räderwerk und Steingewichten zum Antrieb. Christian Huygens (1629-95) setzte 1673 erstmals das Pendel ein, um den gleichmäßigen Gang des Räderwerks sicherzustellen – seine Pendeluhr wurde dem Konzept nach rund 300 Jahre lang gebaut, bis in den letzten Jahrzehnten elektronische Uhren neue Genauigkeitsmaßstäbe setzten. 1593 leistete Galileo Galilei (1564-1642) mit seinem Gasthermometer, das auf der Wärmeausdehnung einer Luftblase in einer Wassersäule beruhte, einen entscheidenden Beitrag zur Temperaturmessung. Genauere Messungen erlaubte das 1641 erfundene Alkoholthermometer – ein Flüssigkeitsthermometer, wie es auch heute noch gebräuchlich ist. Im Jahr 1717 schuf dann Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736) das Quecksilberthermometer und stellte die Fahrenheitskala auf. Drei Jahre später entwickelte der Schwede Anders Celsius (1701-44) eine neue Temperaturskala und bezeichnete den Gefrierpunkt des Wassers mit 0 °C, dessen Siedepunkt mit 100 °C. Einen sehr kleinen Messbereich – 35 °C bis 45 °C – weist das Fieberthermometer auf, denn andere Temperaturen treten im menschlichen Körper auch bei Krankheiten nicht auf. Bei vielen industriellen Vorgängen müssen jedoch Temperaturen von etlichen Hundert Grad Celsius erfasst werden, diesem Zweck dient das optische Pyrometer, bei dem die Glühfarbe eines Gegenstands mit der eines elektrisch erhitzten Drahtes verglichen wird. Standort bestimmung
Zur Navigation auf See oder in der Luft ist die Kenntnis des Standorts notwendig. Man kam schon frühzeitig auf die Idee, sich anhand der Gestirne zu orientieren und schuf etwa im 3. Jahrhundert v. Chr. das Astrolabium, ein Winkelmessgerät, das die Höhe (Elevation) von Sonne, Mond und Fixsternen zu messen erlaubte. Um derartige Messungen auch auf dem schwankenden Deck eines Seeschiffes vornehmen zu können, entwickelte John Hadley (1682-1744) 1730 ein Instrument, mit dem man das anvisierte Gestirn und den Horizont gleichzeitig sehen konnte. Daraus entstand der Sextant, so genannt, weil seine Skala nur 60 Winkelgrade, also ein Sechstel des Kreises umfasst. Die Messung einer »absoluten« Bewegung – einer Bewegung gegenüber den Fixsternen – ermöglicht der Kardankreisel. Das Messprinzip beruht darauf, dass die Drehachse eines schnell laufenden Kreisels, der in einer kardanischen Aufhängung gelagert ist – nach dem italienischen Mathematiker Geronimo Cardano (1501-76) -, ihre Lage im Raum unabhängig von Gravitation oder Erdmagnetismus beibehält. Mit geeigneten Winkelmesseinrichtungen versehen, sind Kreiselgeräte heute Bestandteile von automatischen Steuerungen für Schiffe, Flugzeuge und Raumfahrzeuge. Druck, Geschwindigkeit und Strahlung
1643 entdeckte der italienische Wissenschaftler Evangelista Torricelli (1608-47), dass der Luftdruck an der Erdoberfläche einer Quecksilbersäule von 760 mm Höhe entspricht und dass der Luftdruck mit zunehmender Höhe geringer wird. Aus dieser Erkenntnis heraus baute Torricelli das erste brauchbare Barometer, es wurde bald dazu benutzt, die Höhe von Berggipfeln zu bestimmen und die wetterbedingten Luftdruckschwankungen festzustellen. Besonders für hohe Drücke von Flüssigkeiten und Gasen ist das Federmanometer geeignet, das 1849 von dem französischen Uhrmacher Eugene Bourdon (1808-84) entwickelt wurde und mit einem elastischen Messglied arbeitet. Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zu messen, wurde erst nach 1920 mit dem Wirbelstromtachometer möglich. Seine Antriebswelle betätigt meist auch noch einen mechanischen Kilometerzähler, um die gefahrene Strecke zu registrieren. Das Zeitalter der Kerntechnik hat ganz neuartige Messeinrichtungen notwendig gemacht: Ein recht simples, aber lebenswichtiges Gerät ist das Filmdosimeter. Es registriert die Belastung seines Trägers mit radioaktiven Strahlen und Röntgenstrahlen, wie sie beispielsweise auch in Kernkraftwerken oder in Krankenhäusern vorkommen.